Механистическая токсикология - это изучение того, как химические или физические агенты взаимодействуют с живыми организмами, вызывая токсичность. Знание механизма токсичности вещества повышает способность предотвращать токсичность и разрабатывать более желательные химические вещества; он составляет основу терапии при чрезмерном воздействии и часто позволяет глубже понять фундаментальные биологические процессы. Для целей этого Энциклопедия акцент будет сделан на животных для прогнозирования токсичности для человека. Различные области токсикологии включают механистическую, описательную, нормативную, судебную и экологическую токсикологию (Klaassen, Amdur and Doull, 1991). Все они выигрывают от понимания фундаментальных механизмов токсичности.
Зачем понимать механизмы токсичности?
Понимание механизма, посредством которого вещество вызывает токсичность, по-разному расширяет возможности различных областей токсикологии. Понимание механизмов помогает государственному регулирующему органу установить юридически обязывающие безопасные пределы воздействия на человека. Он помогает токсикологам рекомендовать порядок действий по очистке или восстановлению загрязненных участков и, наряду с физическими и химическими свойствами вещества или смеси, может использоваться для выбора степени необходимого защитного оборудования. Механистические знания также полезны для формирования основы терапии и разработки новых лекарств для лечения болезней человека. Для судебного токсиколога механизм токсичности часто дает представление о том, как химический или физический агент может вызвать смерть или потерю трудоспособности.
Если механизм токсичности понятен, описательная токсикология становится полезной для прогнозирования токсического действия родственных химических веществ. Однако важно понимать, что отсутствие механистической информации не мешает специалистам в области здравоохранения защищать здоровье человека. Для установления безопасных уровней воздействия используются разумные решения, основанные на исследованиях на животных и опыте людей. Традиционно предел безопасности устанавливался путем использования «уровня отсутствия неблагоприятного воздействия» или «наименьшего уровня неблагоприятного воздействия» из исследований на животных (с использованием планов многократного воздействия) и деления этого уровня на коэффициент 100 для профессионального воздействия или 1,000 для другие воздействия окружающей среды на человека. Успех этого процесса очевиден из нескольких случаев неблагоприятных последствий для здоровья, связанных с химическим воздействием на рабочих, где в прошлом были установлены и соблюдались соответствующие пределы воздействия. Кроме того, продолжительность жизни человека продолжает увеличиваться, как и качество жизни. В целом использование данных о токсичности привело к эффективному нормативному и добровольному контролю. Подробное знание токсических механизмов повысит предсказуемость новых моделей риска, разрабатываемых в настоящее время, и приведет к постоянному совершенствованию.
Понимание экологических механизмов является сложным и предполагает знание разрушения экосистемы и гомеостаза (баланса). Хотя это и не обсуждается в этой статье, более глубокое понимание механизмов токсичности и их конечных последствий в экосистеме поможет ученым принимать взвешенные решения в отношении обращения с бытовыми и промышленными отходами. Управление отходами является растущей областью исследований, и в будущем она будет оставаться очень важной.
Методы изучения механизмов токсичности
Большинство механистических исследований начинаются с описательных токсикологических исследований на животных или клинических наблюдений на людях. В идеале исследования на животных включают тщательное поведенческое и клиническое наблюдение, тщательное биохимическое исследование элементов крови и мочи на наличие признаков неблагоприятного функционирования основных биологических систем организма и посмертную оценку всех систем органов путем микроскопического исследования для выявления травмы (см. руководящие принципы испытаний ОЭСР; директивы ЕС по химической оценке; правила испытаний Агентства по охране окружающей среды США; правила Японии по химическим веществам). Это аналогично тщательному медицинскому обследованию человека, которое проводится в больнице в течение двух-трех дней, за исключением вскрытия.
Понимание механизмов токсичности — это искусство и наука наблюдения, творческий подход к выбору методов проверки различных гипотез и инновационная интеграция признаков и симптомов в причинно-следственную связь. Механистические исследования начинаются с воздействия, следят за распределением во времени и поведением в организме (фармакокинетика) и измеряют результирующий токсический эффект на определенном уровне системы и при некотором уровне дозы. Различные вещества могут действовать на разных уровнях биологической системы, вызывая токсичность.
Экспозиция
Путь воздействия в механистических исследованиях обычно такой же, как и при воздействии на человека. Путь важен, потому что могут быть эффекты, которые возникают локально в месте воздействия в дополнение к системным эффектам после того, как химическое вещество впитается в кровь и распространится по всему телу. Простым, но убедительным примером местного эффекта может быть раздражение и возможное разъедание кожи после применения сильных кислотных или щелочных растворов, предназначенных для очистки твердых поверхностей. Точно так же раздражение и гибель клеток могут возникать в клетках, выстилающих нос и/или легкие, после воздействия раздражающих паров или газов, таких как оксиды азота или озон. (Оба являются составляющими загрязнения воздуха или смога). После всасывания химического вещества в кровь через кожу, легкие или желудочно-кишечный тракт его концентрация в любом органе или ткани регулируется многими факторами, определяющими фармакокинетику химического вещества в организме. Организм обладает способностью активировать, а также детоксицировать различные химические вещества, как указано ниже.
Роль фармакокинетики в токсичности
Фармакокинетика описывает временные отношения для химической абсорбции, распределения, метаболизма (биохимических изменений в организме) и элиминации или выведения из организма. По отношению к механизмам токсичности эти фармакокинетические переменные могут быть очень важными и в некоторых случаях определять, будет или не будет токсичность. Например, если материал не абсорбируется в достаточном количестве, системная токсичность (внутри тела) не возникает. И наоборот, высокореактивное химическое вещество, которое быстро (секунды или минуты) обезвреживается пищеварительными или печеночными ферментами, может не успеть вызвать токсичность. Некоторые полициклические галогенсодержащие вещества и их смеси, а также некоторые металлы, такие как свинец, не вызывали бы значительной токсичности, если бы экскреция была бы быстрой; но накопление до достаточно высоких уровней определяет их токсичность, поскольку экскреция не является быстрой (иногда измеряется годами). К счастью, большинство химических веществ не задерживаются в организме так долго. Накопление безвредного материала все равно не вызовет токсичности. Скорость выведения из организма и детоксикации часто называют периодом полураспада химического вещества, то есть временем, в течение которого 50% химического вещества выводится из организма или преобразуется в нетоксичную форму.
Однако, если химическое вещество накапливается в определенной клетке или органе, это может стать причиной для дальнейшего изучения его потенциальной токсичности в этом органе. Совсем недавно были разработаны математические модели для экстраполяции фармакокинетических переменных от животных к человеку. Эти фармакокинетические модели чрезвычайно полезны для выдвижения гипотез и проверки того, может ли экспериментальное животное быть хорошим представителем для людей. На эту тему написано множество глав и текстов (Gehring et al., 1976; Reitz et al., 1987; Nolan et al., 1995). Упрощенный пример физиологической модели изображен на рисунке 1.
Рисунок 1. Упрощенная фармакокинетическая модель
Различные уровни и системы могут быть затронуты неблагоприятным образом
Токсичность может быть описана на разных биологических уровнях. Травма может быть оценена у человека (или животного), системы органов, клетки или молекулы. Системы органов включают иммунную, дыхательную, сердечно-сосудистую, почечную, эндокринную, пищеварительную, костно-мышечную, кровеносную, репродуктивную и центральную нервную системы. Некоторые ключевые органы включают печень, почки, легкие, мозг, кожу, глаза, сердце, яички или яичники и другие основные органы. На клеточном/биохимическом уровне побочные эффекты включают нарушение нормальной функции белка, функции эндокринных рецепторов, ингибирование метаболической энергии или ингибирование или индукцию ферментов ксенобиотиков (чужеродных веществ). Побочные эффекты на молекулярном уровне включают изменение нормальной функции транскрипции ДНК-РНК, специфического связывания цитоплазматических и ядерных рецепторов, а также генов или генных продуктов. В конечном счете, дисфункция в основной системе органов, вероятно, вызвана молекулярным изменением в конкретной клетке-мишени внутри этого органа. Однако не всегда возможно проследить механизм до молекулярного происхождения причинно-следственной связи, да это и не необходимо. Вмешательство и терапия могут быть разработаны без полного понимания молекулярной мишени. Однако знание конкретного механизма токсичности повышает прогностическую ценность и точность экстраполяции на другие химические вещества. Рисунок 2 представляет собой схематическое изображение различных уровней, на которых могут быть обнаружены помехи нормальным физиологическим процессам. Стрелки указывают, что последствия для человека могут быть определены сверху вниз (воздействие, фармакокинетика до системной/органной токсичности) или снизу вверх (молекулярные изменения, клеточный/биохимический эффект до системной/органной токсичности).
Рисунок 2. Репрезентация механизмов токсичности
Примеры механизмов токсичности
Механизмы токсичности могут быть простыми или очень сложными. Часто существует разница между типом токсичности, механизмом токсичности и уровнем воздействия, связанная с тем, вызваны ли побочные эффекты однократной, острой высокой дозой (например, случайное отравление) или более низкой дозой. повторное воздействие (в результате профессионального или экологического воздействия). Классически, в целях тестирования, острая однократная высокая доза вводится путем прямой интубации в желудок грызуна или воздействия атмосферы газа или пара в течение двух-четырех часов, в зависимости от того, что лучше всего напоминает воздействие на человека. За животными наблюдают в течение двухнедельного периода после воздействия, а затем исследуют основные внешние и внутренние органы на наличие повреждений. Тестирование с повторными дозами длится от месяцев до лет. Для видов грызунов два года считаются хроническим (пожизненным) исследованием, достаточным для оценки токсичности и канцерогенности, тогда как для нечеловеческих приматов два года будут считаться субхроническим (менее пожизненного) исследованием для оценки токсичности повторных доз. После воздействия проводится полное обследование всех тканей, органов и жидкостей для выявления любых побочных эффектов.
Механизмы острой токсичности
Следующие примеры относятся к острым эффектам высоких доз, которые могут привести к смерти или тяжелой инвалидности. Однако в некоторых случаях вмешательство приводит к преходящим и полностью обратимым последствиям. Доза или тяжесть воздействия будут определять результат.
Простые удушающие вещества. Механизм токсичности инертных газов и некоторых других нереакционноспособных веществ заключается в недостатке кислорода (аноксия). Эти химические вещества, вызывающие недостаток кислорода в центральной нервной системе (ЦНС), называются простые удушающие. Если человек входит в замкнутое пространство, содержащее азот без достаточного количества кислорода, в мозгу происходит немедленное истощение кислорода, что приводит к потере сознания и, в конечном итоге, к смерти, если человека не удалить быстро. В крайних случаях (почти нулевой уровень кислорода) потеря сознания может наступить через несколько секунд. Спасение зависит от быстрого перемещения в насыщенную кислородом среду. Выживание с необратимым повреждением головного мозга может быть достигнуто за счет отсрочки спасения из-за гибели нейронов, которые не могут регенерировать.
Химические удушающие средства. Угарный газ (СО) конкурирует с кислородом за связывание с гемоглобином (в красных кровяных тельцах) и поэтому лишает ткани кислорода для энергетического обмена; может наступить гибель клеток. Вмешательство включает удаление из источника CO и обработку кислородом. Прямое использование кислорода основано на токсическом действии CO. Другим сильнодействующим химическим удушающим средством является цианид. Ион цианида препятствует клеточному метаболизму и использованию кислорода для получения энергии. Лечение нитритом натрия вызывает превращение гемоглобина в эритроцитах в метгемоглобин. Метгемоглобин имеет большее сродство связывания с ионом цианида, чем клеточная мишень цианида. Следовательно, метгемоглобин связывает цианид и удерживает цианид на расстоянии от клеток-мишеней. На этом основывается антидотная терапия.
Депрессанты центральной нервной системы (ЦНС). Острая токсичность характеризуется седативным эффектом или потерей сознания для ряда материалов, таких как растворители, которые не вступают в реакцию или превращаются в реакционноспособные промежуточные соединения. Предполагается, что седативный эффект/анестезия обусловлены взаимодействием растворителя с мембранами клеток ЦНС, что ухудшает их способность передавать электрические и химические сигналы. Хотя седация может показаться легкой формой токсичности и была основой для разработки ранних анестетиков, «доза по-прежнему делает яд». При приеме внутрь или вдыхании достаточной дозы животное может погибнуть из-за остановки дыхания. Если смерть от анестезии не наступает, этот тип токсичности обычно легко обратим, когда субъект удаляется из окружающей среды или химическое вещество перераспределяется или выводится из организма.
Кожные эффекты. Неблагоприятное воздействие на кожу может варьироваться от раздражения до коррозии, в зависимости от встречающегося вещества. Сильные кислоты и щелочные растворы несовместимы с живыми тканями и вызывают коррозию, вызывая химические ожоги и возможное рубцевание. Рубцевание происходит из-за гибели дермальных, глубоких клеток кожи, ответственных за регенерацию. Более низкие концентрации могут просто вызвать раздражение первого слоя кожи.
Другим специфическим механизмом токсического действия на кожу является химическая сенсибилизация. Например, сенсибилизация возникает, когда 2,4-динитрохлорбензол связывается с естественными белками кожи, и иммунная система распознает измененный комплекс, связанный с белком, как чужеродный материал. В ответ на этот чужеродный материал иммунная система активирует специальные клетки для устранения чужеродного вещества путем высвобождения медиаторов (цитокинов), которые вызывают сыпь или дерматит (см. «Иммунотоксикология»). Это та же самая реакция иммунной системы, когда происходит воздействие ядовитого плюща. Иммунная сенсибилизация очень специфична для конкретного химического вещества и требует не менее двух воздействий, прежде чем будет вызвана реакция. Первое воздействие вызывает сенсибилизацию (настраивает клетки на распознавание химического вещества), а последующие воздействия вызывают реакцию иммунной системы. Отказ от контакта и симптоматическая терапия стероидсодержащими противовоспалительными кремами обычно эффективны при лечении сенсибилизированных лиц. В серьезных или рефрактерных случаях иммунодепрессанты системного действия, такие как преднизолон, используются в сочетании с местным лечением.
Сенсибилизация легких. Реакция иммунной сенсибилизации вызывается толуолдиизоцианатом (ТДИ), но мишенью являются легкие. Чрезмерное воздействие ТДИ у восприимчивых людей вызывает отек легких (скопление жидкости), сужение бронхов и нарушение дыхания. Это серьезное состояние, требующее удаления человека от потенциального последующего воздействия. Лечение преимущественно симптоматическое. Сенсибилизация кожи и легких зависит от дозы. Превышение уровня, установленного для профессионального воздействия, может привести к неблагоприятным последствиям.
Глазные эффекты. Повреждение глаза варьируется от покраснения наружного слоя (покраснение в бассейне) до образования катаракты роговицы и повреждения радужной оболочки (окрашенной части глаза). Тесты на раздражение глаз проводятся, когда предполагается, что серьезной травмы не произойдет. Многие из механизмов, вызывающих коррозию кожи, могут также привести к повреждению глаз. Материалы, вызывающие коррозию кожи, такие как сильные кислоты (pH менее 2) и щелочи (pH более 11.5), не тестируются на глазах у животных, поскольку большинство из них вызывают коррозию и слепоту из-за механизма, сходного с тем, который вызывает коррозию кожи. . Кроме того, поверхностно-активные вещества, такие как детергенты и поверхностно-активные вещества, могут вызывать повреждения глаз, начиная от раздражения и заканчивая коррозией. Группа материалов, требующая осторожности, — это положительно заряженные (катионные) поверхностно-активные вещества, которые могут вызывать ожоги, стойкое помутнение роговицы и васкуляризацию (образование кровеносных сосудов). Другое химическое вещество, динитрофенол, оказывает специфическое воздействие на образование катаракты. По-видимому, это связано с концентрацией этого химического вещества в глазу, что является примером специфичности фармакокинетического распределения.
Хотя приведенный выше список далеко не исчерпывающий, он предназначен для того, чтобы дать читателю представление о различных механизмах острой токсичности.
Механизмы субхронической и хронической токсичности
При введении в виде однократной высокой дозы некоторые химические вещества не обладают таким же механизмом токсичности, как при повторном введении в виде более низкой, но все же токсичной дозы. Когда вводится однократная высокая доза, всегда существует возможность превышения способности человека детоксицировать или выводить из организма химическое вещество, и это может привести к другой токсической реакции, чем при введении более низких повторяющихся доз. Алкоголь является хорошим примером. Высокие дозы алкоголя приводят к первичным воздействиям на центральную нервную систему, в то время как более низкие повторяющиеся дозы приводят к повреждению печени.
Ингибирование антихолинэстеразы. Например, большинство фосфорорганических пестицидов малотоксичны для млекопитающих до тех пор, пока они не будут метаболически активированы, прежде всего в печени. Основным механизмом действия фосфорорганических соединений является ингибирование ацетилхолинэстеразы (АХЭ) в головном мозге и периферической нервной системе. АХЭ является нормальным ферментом, который прекращает стимуляцию нейротрансмиттера ацетилхолина. Незначительное ингибирование АХЭ в течение длительного периода времени не было связано с побочными эффектами. При высоких уровнях воздействия неспособность прекратить стимуляцию нейронов приводит к чрезмерной стимуляции холинергической нервной системы. Холинергическая чрезмерная стимуляция в конечном итоге приводит к множеству симптомов, включая остановку дыхания, за которой следует смерть, если ее не лечить. Основным лечением является введение атропина, который блокирует эффекты ацетилхолина, и введение хлорида пралидоксима, который реактивирует ингибированную АХЭ. Следовательно, как причина, так и лечение токсичности фосфорорганических соединений решаются путем понимания биохимической основы токсичности.
Метаболическая активация. Многие химические вещества, включая четыреххлористый углерод, хлороформ, ацетиламинофлуорен, нитрозамины и паракват, метаболически активируются с образованием свободных радикалов или других реакционноспособных промежуточных соединений, которые ингибируют нормальную клеточную функцию и мешают ей. При высоких уровнях воздействия это приводит к гибели клеток (см. «Клеточное повреждение и гибель клеток»). Хотя конкретные взаимодействия и клеточные мишени остаются неизвестными, системы органов, которые способны активировать эти химические вещества, такие как печень, почки и легкие, являются потенциальными мишенями для повреждения. В частности, определенные клетки внутри органа обладают большей или меньшей способностью активировать или детоксицировать эти промежуточные соединения, и эта способность определяет внутриклеточную восприимчивость внутри органа. Метаболизм является одной из причин, по которой понимание фармакокинетики, описывающей эти типы превращений, а также распределение и элиминацию этих промежуточных соединений, важно для понимания механизма действия этих химических веществ.
Механизмы рака. Рак — это множество заболеваний, и хотя понимание некоторых видов рака быстро растет благодаря множеству молекулярно-биологических методов, разработанных с 1980 года, еще многое предстоит узнать. Однако ясно, что развитие рака представляет собой многоэтапный процесс, и критические гены являются ключевыми для различных типов рака. Изменения в ДНК (соматические мутации) в ряде этих критических генов могут вызывать повышенную восприимчивость или раковые поражения (см. «Генетическая токсикология»). Воздействие природных химических веществ (в приготовленных пищевых продуктах, таких как говядина и рыба) или синтетических химических веществ (таких как бензидин, используемый в качестве красителя) или физических факторов (ультрафиолетовый свет от солнца, радон из почвы, гамма-излучение от медицинских процедур или производственной деятельности) способствуют соматическим генным мутациям. Однако существуют природные и синтетические вещества (такие как антиоксиданты) и процессы репарации ДНК, которые защищают и поддерживают гомеостаз. Ясно, что генетика является важным фактором в развитии рака, поскольку синдромы генетических заболеваний, такие как пигментная ксеродермия, при которых отсутствует нормальная репарация ДНК, резко повышают восприимчивость к раку кожи из-за воздействия ультрафиолетового излучения солнца.
Репродуктивные механизмы. Как и в случае с раком, известны многие механизмы токсичности для репродуктивной системы и/или развития, но многое еще предстоит изучить. Известно, что некоторые вирусы (такие как краснуха), бактериальные инфекции и лекарственные препараты (такие как талидомид и витамин А) отрицательно влияют на развитие. Недавняя работа Khera (1991), рассмотренная Carney (1994), демонстрирует убедительные доказательства того, что аномальные эффекты развития в тестах на животных с этиленгликолем связаны с кислыми метаболитами материнского метаболизма. Это происходит, когда этиленгликоль метаболизируется до кислых метаболитов, включая гликолевую и щавелевую кислоты. Последующее воздействие на плаценту и плод, по-видимому, связано с этим процессом метаболической токсичности.
Заключение
Цель этой статьи - дать представление о нескольких известных механизмах токсичности и необходимости будущих исследований. Важно понимать, что механистические знания не являются абсолютно необходимыми для защиты здоровья человека или окружающей среды. Эти знания повысят способность профессионала лучше прогнозировать токсичность и управлять ею. Фактические методы, используемые для объяснения любого конкретного механизма, зависят от коллективных знаний ученых и мышления тех, кто принимает решения относительно здоровья человека.